综合利用清洁能源的水域垃圾回收装置设计研究

周翔 杨婕 牛玉宁 于宗洋 滕叔同 彭肖苇

摘  要  综合利用清洁能源的水域垃圾回收装置是一种节能无污染的垃圾回收装置，由船体、垃圾聚拢装置、垃圾吸取装置、垃圾粉碎和收集装置以及太阳能发电系统等五部分组成。在工作海面，垃圾聚拢装置中的导流板转动，漂浮垃圾往涡流方向聚集；同时，海上的风力气流进一步带动吸气扇进行转动，垃圾吸取装置将涡流处的漂浮垃圾吸入排料管内，将漂浮垃圾输送至粉碎箱内，垃圾粉碎装置对粉碎箱内的漂浮垃圾进行粉碎，粉碎后的垃圾通过接料盒落入垃圾收集盒。太阳能发电系统为电机工作提供电能。

关键词  水域垃圾回收装置；清洁能源；海洋垃圾

中图分类号：G644    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）21-0046-04

0  引言

随着海岸带工业的发展以及各种海上活动的加剧，不可避免地产生大量的海洋垃圾，这对整个海洋生态系统及循环造成不可逆的损害，使海洋生态环境恶化[1]。每年流入海洋的垃圾有数百万吨，仅太平洋上的海洋漂浮垃圾就已达300多万平方公里[2-3]，尽管相关海洋环境保护的法律法规、条例以及水污染防治行动计划等都要求加强塑料陆源入海污染防控，但国家层面针对海洋垃圾的政策安排和制度体系尚未形成[4]。目前对于垃圾清理装置的研究还处于初步发展阶段，一般都是参考国外现有装置结构进行优化改进，缺少原创性设计[5]；垃圾清理装置也存在吸附效果差、作业范围窄、灵活性差等缺点，这使清理具有很大的局限性；同时用于船体供能的大量燃油燃烧会污染大气环境。设计一种利用清洁能源的多功能水域垃圾清理装置，该装置节能无污染、成本低廉，适用于多种水域且回收效率高，将在水域环境治理方面产生较大影响。

1  水域垃圾回收装置的功能和原理设计

1.1  功能介绍

一种综合利用清洁能源的水域垃圾回收装置具有聚拢、吸取、粉碎、滤水和沉淀的功能。垃圾聚拢装置产生涡流，则漂浮垃圾往涡流方向聚集；垃圾吸取装置中的吸料管收集漂浮垃圾，并利用吸料管上的孔道滤除垃圾中一部分水分；垃圾粉碎装置内部齿轮采用交错的刀架高速旋转以快速粉碎收集的垃圾；沉淀装置内用到的垃圾储存箱底部的密集小孔三级分离海水，抽屉式设计方便垃圾的倾倒；太阳能发电系统代替传统的化石燃料为电机供能。

1.2  原理设计

该水域垃圾回收装置的工作原理是：在工作使用时，操控船体移动至垃圾较多的海面处，当感应器接触到海水的压力，通过控制器可控制第二电机开始工作；第二电机通过导杆可带动导流板进行转动，导流板的转动可使得船体周边的水流产生涡流，使漂浮的垃圾往涡流方向聚集；同时，海上的风力气流可使风力扇转动，风力扇上转动杆的转动可通过蜗杆套筒带动蜗轮转动，蜗轮的转动可使活动杆带动吸气扇转动，吸气扇周边会产生强劲的吸入风流；通过吸气管可将涡流处的漂浮垃圾吸入排料管内，再通过排料管将漂浮垃圾输送至粉碎箱内；启动外部开关，使得第一电机开始工作，第一电机带动第一齿轮转动，第一齿轮的转动可带动第二齿轮转动；同时，竖杆的转动可使粉碎刀头对粉碎装置内的漂浮垃圾进行粉碎，粉碎过程中的水通过分隔板上的沥水孔以及接料盒内通孔进入海水储存盒内进行收集；粉碎结束后，粉碎后的垃圾通过接料盒落入垃圾收集盒内，最后将收集盒以及储水盒分别从第一通槽以及第二通槽内部取出清理即可。该装置能快速将海洋垃圾进行回收处理，整个垃圾收集过程没有任何能耗，防止海洋垃圾对海岸环境的污染，同时减轻管理人员的工作强度。具体如图1所示。

2  水域垃圾回收装置的结构设计

2.1  总体结构

该装置是由船体、聚拢装置、吸取装置、粉碎和收集装置以及太阳能发电系统等五部分组成。垃圾聚拢装置包括过滤板、固定套筒、第二电机、感应器、控制器、支撑板、导杆；垃圾吸取装置包括吸料管、固定箱风力扇、固定箱壳体、支撑杆、蜗杆套筒、转动杆、吸气扇；垃圾粉碎和收集装置包括进料管、粉碎箱体、配电箱、第一电机、齿轮、粉碎刀架、支撑柱、接料盒、垃圾收集箱、海水储存箱；太阳能供电系统包括太阳能电池板、蓄电池组、控制器；实验船体选择长2米、宽0.5米的小型船体作为研究船型。具体结构如图2所示。

2.2  重点结构设计

2.2.1  垃圾聚拢装置  垃圾聚拢装置由过滤板、固定套筒、第二电机、感应器、控制器支撑板、导杆、导流板组成。固定套筒内壁连接有支撑板，电机固定于支撑板的顶部，电机输出轴连接的是导杆，导杆与导流板连接，导流板的转动产生涡流，漂浮垃圾向涡流方向聚集。该设置一方面可以避免在工作时有水生物靠近（影响垃圾收集效率及装置运作的稳定性），另一方面有利于垃圾的收集，具体结构如图3所示。

2.2.2  垃圾吸取装置  垃圾吸取装置由吸料管和固定箱组成。固定箱的底部连通有吸气管，吸气管的底端与排料管顶部相连通，两个支撑杆表面相对的一侧之间转动连接有转动杆，转动杆与两侧风力扇相连，在转动杆表面的中部装有蜗杆套筒，当风力扇转动时，带动活动杆转动产生吸入风流，对船周边漂浮垃圾进行收集，防止海洋垃圾对海岸环境的污染，同时减轻管理人员的工作强度。具体结构如图4、图5所示。

2.2.3  垃圾粉碎收集装置  垃圾粉碎和收集装置内壁顶部中部固定连接有第一电机，齿轮带动刀架转动，对吸收的垃圾进行粉碎处理。粉碎后的垃圾通过接料盒进入垃圾收集装置，收集装置下部接有海水储存箱。粉碎装置一侧的底部开设有与收集装置相适配的第一通槽，粉碎装置的一侧且位于第一通槽的底部开设有第二通槽，可实现对垃圾沥下来的水分进行收集。同时，垃圾收集装置可对粉碎下来的垃圾进行收集，且垃圾和海水的收集裝置均采用抽屉式设计，可方便后续人员的统一清理以及回收，防止产生二次污染。具体结构如图6所示。

2.2.4  太阳能供电系统  太阳能供电系统在装置箱体顶部设置太阳能电池板，选用高效的多晶组件（72片串）。太阳板结构边框采用铝合金材质，采用阳极氧化技术改变其表面状态和性能，太阳能板耐腐蚀、耐磨损，提高硬度，延长太阳能板的使用寿命。采用单路MPPT逆变器独立接入，降低逆变器电能损耗，将直流转变成交流。逆变器自带防过压过流保护、防雷保护，系统自检自查保护等，直接用于电动机供电使用。

2.2.5  控制系统  控制系统包括支撑板顶部的一侧固定连接的控制器，导流板底部的中部固定连接有感应器。当感应器收到海面的压力信号后，控制电路中的开关SB2，此时热继电器线圈KM1得电，辅助触点KM1闭合，第二电机（M1）开始工作，第二电机通过导杆可带动导流板进行转动，产生涡流。当排料管将漂浮垃圾输送至粉碎箱后，启动外部开关SB4，此时热继电器线圈KM2得电，辅助触点KM2闭合，第一电机（M2）开始工作，带动第一齿轮进行转动，第一齿轮的转动可带动第二齿轮进行转动。电机的控制電路属于连锁控制电路，如图7所示。

2.3  创新点

本装置在工作过程中以电机为动力源，解决了旧式垃圾清理船耗油量巨大的弊病；固定套筒和粉碎箱顶部电机连接处铺设的硅晶片能够吸收较多的太阳能，从而利用太阳能发电驱动电机转动，节约大量的电能，对建立可持续的能源系统发挥重大作用，实现清理供能一体化；垃圾吸取装置中固定安装箱两侧风力扇借助海面外界风力带动吸气扇转动吸收海面垃圾，充分利用清洁能源，减少能源消耗，节约了大量资源。

3  结论

综合利用清洁能源的水域垃圾回收装置，从海洋漂浮垃圾清理所面临的迫切问题出发，从结构设计和工作原理入手，总结现有技术产品存在的问题，借鉴相关装置设计思路，通过对比分析、实地调研，制订合理的解决方案，实现节能无污染，利用清洁能源工作，工作成本低廉且回收效率高，不但可以防止海洋垃圾对海岸环境的污染，而且能够减轻管理人员的工作强度。在以后工作设计中应注重回收垃圾的充分利用，在功能上更加完善，在实用中更加便捷，可以用于河道垃圾清理，实现多种水域共同工作。船用供电系统尽可能一体化，使供电蓄电更加方便快捷，尽可能地节约资源、创造能源。

参考文献

[1] 刘强，徐旭丹，黄伟，等.海洋微塑料污染的生态效应研究进展[J].生态学报，2017，37（22）：7397-7409.

[2] 刘红丹，金信飞，焦海峰.海洋生态示范区建设中开展海洋漂浮垃圾综合管控的探索：以浙江省宁波市为例[J].环境与可持续发展，2018，43（3）：82-85.

[3] 林琪.微塑料：“看不见”的海洋垃圾[J].环境，2018（1）：66-68.

[4] 顾湘，李志强.海洋命运共同体视域下东亚海域污染合作治理策略优化研究[J].东北亚论坛，2021，30（2）：60-73，127-128.

[5] 孙晓杰，王洪涛，陆文静.我国城市生活垃圾收集和分类方式探讨[J]．环境科学与技术，2009，32（10）：200-202.

*项目来源：烟台大学2021年校级大学生创新创业训练项目“‘监微知著——海洋水产养殖实时监控装置”（38号）和

“一种综合利用清洁能源的水域垃圾回收装置”（39号）；2021年山东省大学生创新创业训练项目（编号：S202111066036）；

烟台大学教学改革研究项目“突发性公共卫生事件启示下的高校开放实验室管理模式探究”（编号：jyxm2020007）；

2020年第一批产学合作协同育人项目“高校开放实验室智能信息化管理系统建设”（编号：202002176016）和“高校开放实验室智能信息化管理系统建设”（编号：202002187047）。

作者：周翔、牛玉宁、于宗洋、滕叔同、彭肖苇，烟台大学轮机工程专业本科生；杨婕，通信作者，烟台大学海洋学院实验室管理办公室主任，讲师，研究方向为实验室装备设计（264005）。